A utilização de técnicas modernas de microscopia, computação e equipamentos na criação de um Atlas digital de Histologia-Embriologia.

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE BIOLOGIA ROBERTO ALCÂNTARA GOMES PÓS-GRADUAÇÃO EM MORFOLOGIA A utilização de técnicas modernas de microscopia, computação e equipamentos na criação de um Atlas digital de Histologia-Embriologia. Victor Wagner Silva Lopes Dissertação de Mestrado apresentada ao Centro Biomédico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro para a obtenção do grau de mestre em Morfologia. Rio de Janeiro 2003

2 ii FICHA CATALOGRÁFICA Silva-Lopes, Victor Wagner A utilização de técnicas modernas de microscopia, computação e equipamentos na criação de um Atlas digital de Histologia-Embriologia / Victor Wagner Silva Lopes iiiv, p. 11: il. Orientador: Luiz Henrique Monteiro Leal Dissertação (Mestrado) Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Centro Biomédico, Instituto de Biologia Roberto Alcântara Gomes, Departamento de Histologia e Embriologia. 1. Microscopia 2. Educação a Distância 3. Histologia-Embriologia 4. Teses. I. Monteiro-Leal, Luiz Henrique. II. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Instituto de Biologia Roberto Alcântara Gomes. III. Título.

3 iii A frase mais deliciosa que se pode ouvir na Ciência, aquela que todos os cientistas adoram, não é Eureka, mas que engraçado. (Isaac Asimov)

4

5 iv AGRADECIMENTOS Aos professores do Departamento de Histologia e Embriologia: Laís, Alessandra, Mara, Neide, Jorge, William e Andréa Monte Alto Costa pelas várias lições durante estes anos; Aos técnicos Roberto, Marcelo, Mauro, Fábio, Marco Aurélio, Zefa e Kátia pelo apoio do trabalho às conversas na cozinha; A Ana Lúcia por me ajudar nos momentos de sacrifício ; Ana Carolina pela paciência, principalmente durante a Iniciação Científica; Aos colegas estagiários e mestrandos do DHE; Aos amigos do Laboratório: os atuais e os que já fizeram parte da equipe em algum momento; Ao Jonas, pela amizade e pela ajuda no meu trabalho; Ao secretário da Pós-Graduação Ciro, por me ajudar a acabar o mestrado, e não o contrário; A Lydia Mara por me ajudar na coleta de ouriços; Ana Francisca Miranda, pela revisão do Inglês do trabalho publicado; Aos amigos da graduação: André, Bernardo, Conceição, Gabriela, Leonardo, Pablo, Renato, Richard e Rodrigo. Ao programa Paint ShopPro, pois sem este, o trabalho não seria realizado. Ao suporte da CAPES: pela bolsa e pelo Programa ao Apoio à Pesquisa em Educação a Distância.

6

7 v AGRADECIMENTOS ESPECIAIS Ao meu DEUS, por estar sempre me provando que ele existe; A minha família, por estar ao meu lado em todos os momentos e por todo o suporte, em todos os níveis; A Erica por estar fazendo a minha vida melhor; Ao Profº Luiz Henrique pela orientação a partir do 2º período até hoje. Agradeço por ter me mostrado as técnicas, equipamentos, e idéias que aprendi a amar.

8

9 vi SUMÁRIO Ficha Catalográfica Agradecimentos SUMÁRIO... RESUMO... ABSTRACT... ii iv-v vi Vii viii INTRODUÇÃO... 1 RESULTADOS... 4 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS... 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 6

10 RESUMO A utilização de técnicas modernas de microscopia em associação com sistemas digitais de aquisição, processamento e transmissão de dados tem influenciado de forma positiva o ensino escolar e universitário. No que diz respeito ao ensino de Histologia e Embriologia, que é parcialmente baseado na apresentação e correta interpretação, pelos alunos, das imagens de células, tecidos e órgãos, ter acesso a novas técnicas pode ser decisivo na boa formação dos estudantes. Entretanto, a obtenção de imagens de qualidade, requer a utilização de equipamentos que normalmente não são acessíveis a todos. Este trabalho teve como objetivo apresentar as etapas de aquisição, processamento e produção de imagens necessárias a criação de um Atlas digital de histologia e embriologia, o qual foi direcionado a estudantes e profissionais no Brasil e no exterior. Também foi avaliado o impacto do trabalho nesta comunidade e seus possíveis efeitos sobre as diferentes regiões geográficas e sociais. Os resultados mostraram que a maior parte dos acessos foi realizada por usuários de países desenvolvidos, e de regiões mais ricas, no caso do Brasil. Além disso, as análises mostraram que a maioria dos usuários era composta por universitários. Nosso trabalho concluiu que a Educação a Distância, utilizando a Internet como base, não está diminuindo as diferenças entre as áreas mais desenvolvias e as menos desenvolvidas, em função, entre outras, da quantidade reduzida de computadores nas últimas. Uma solução sugerida nesta tese foi à aquisição e montagem de salas multimídia equipadas com computadores em rede, os quais apresentariam saídas de vídeo para a projeção das imagens em um monitor de 34 polegadas. O custo de montagens como estas seriam, então, menores do que a compra de vários computadores com acesso à Internet, sem grandes perdas consideráveis de qualidade. Desta forma mais centros multimídia poderiam ser criados, diminuindo as diferenças regionais. A tese também teve como objetivos desenvolver uma metodologia básica para a criação de um banco de imagens, que seria alicerce para um novo Atlas digital aos moldes do Atlas Digital de Histologia. O novo Atlas apresentará o desenvolvimento embriológico comparativo de três espécies animais (ouriço-do-mar, galo doméstico e camundongo). As imagens poderão ser acessadas por todos os alunos de graduação e pós-graduação através da Internet, em uma Web page aberta.

11 ABSTRACT The use of modern techniques of microscopy in association with digital systems of acquisition, processing and transmition of data has influenced in a positive way the university and scholar teaching. Concerning the Histology and Embryology teaching, which is partially based on the presentation and correct interpretation of the images of cells, tissues and organs by the students, having access to new techniques may be decisive to their good formation. However, the obtainment of high quality images requires the use of equipment that are not usually accessible to everyone. This work had by objectives, the presentation of the steps of acquisition, processment and production of necessary images to the creation of Embryology and Histology Digital Atlases that was directional to students and professionals in Brazil and foreign countries. It was also evaluated the impact of the work in that community and possible effects in the different geographic and social regions. The results showed that the major part of the accesses was done by users from developed countries and from the most rich regions, in the case of Brazil. Moreover, the analyses showed that the majority of the users was composed by universitarians. Our work concluded that the Distance Learning, using the Internet like base is not diminishing the differences between the most developed and underdeveloped areas, by the fact of the few quantity of computers in the former. One solution suggested in this thesis was the acquisition and montage of multimedia rooms equipped with computers in network that would present the output video to project the images in a 34-inch TV. The cost of the montages like that would be inferior to the purchase of various computers with Internet access and has reduced loss of image quality. This way, more multimedia centers could be created, diminishing the regional differences. The thesis also has the objective to develop a basic methodology to create a image bank, that would be a foundation to a new digital atlas by the Digital Atlas of Histology mould. The new Atlas is going to present the embryology formation of three animal species (sea-urchin, domestic hen, and mouse) The images will be accessed by all graduated and PhD students through the Internet, in an open web page.

12

13 - 1 - INTRODUÇÃO Nos últimos anos, tem sido crescente a procura por novas e eficazes metodologias de ensino, que propiciem maior dispersão de informações e ultrapassando os limites físicos das salas de aula, permitindo assim uma maior divulgação do conhecimento gerado nos centros de pesquisa. Este conceito é representado pelo ensino por correspondência, universidades virtuais, teleconferências, multimídias, e mais recentemente, pelo uso das tecnologias baseadas na Internet (Passerini and Granger, 2000; Wachter and Gupta, 1997). O uso de computadores tem sido um componente essencial em laboratórios de pesquisa nas últimas duas décadas, como destacado no artigo de Paalman (2000). Entretanto, para a maioria dos usuários, estas máquinas continuam a ser simples ferramentas para a edição de textos, correio eletrônico ou para apresentações no Microsoft PowerPoint (Carmichael and Pawlina, 2000). Técnicas que requerem conhecimentos mais específicos, tais com: computação gráfica, reconstrução tridimensional e microscopia digital (informações mais detalhadas ver Monteiro-Leal, 2000), ainda estão restritas a poucos usuários. No intuito de difundir o conhecimento e aumentar a aproximação entre a pesquisa e o ensino, cientistas e educadores têm procurado formas mais eficazes, baratas e livres de apresentação do conhecimento. No Brasil, iniciou-se na década de 90 um programa de ensino pela televisão. Este projeto, o qual era e ainda é patrocinado pela Fundação Roberto Marinho, possibilitou que diversas pessoas concluíssem os níveis fundamental e médio. Em escala maior, através da utilização da Internet, esta estratégia vem sendo expandida, de tal forma que tem permitido o envio e recebimento de informações para e a partir de qualquer parte do mundo (Brinkley et al., 1997). Esses avanços possibilitaram que as aulas ultrapassassem os limites físicos e as barreiras do tempo (Chu and Chan, 1998), perdendo os limites regionais, atingindo um público maior e diversificado, e se tornando uma plataforma para o que é hoje conhecido como Educação a Distância (Motiwalla and Tello, 2000). O número de universidades virtuais no Brasil vem crescendo. Consórcios entre universidades têm surgindo para facilitar o ensino de muitos alunos, os quais não têm tempo ou dinheiro para cursarem uma faculdade convencional, evitando também a competição acirrada do vestibular. Um exemplo desta estratégia foi a criação do Consórcio CEDERJ - Centro de Educação Superior a Distância do Rio de Janeiro, que tem como objetivo expandir o ensino superior gratuito e de qualidade pelo Estado do Rio de Janeiro, com cursos de graduação, extensão e especialização. Através de parcerias com as universidades públicas sediadas no Estado do Rio de Janeiro - UENF, UERJ, UFF, UFRJ, UFRRJ, UNIRIO e as Prefeituras Municipais, o consórcio realiza suas atividades curriculares, presenciais ou a distância.

14 - 2 - A preocupação com a criação e aplicação de novas tecnologias no ensino pode ser também observada no crescente aumento das publicações em revistas científicas, as quais aos poucos passam a dedicar seções inteiras para a apresentação de novas tecnologias e estratégias para a melhoria do ensino. No campo da microanatomia, podemos destacar como exemplo: o jornal científico Anatomical Record - The New Anatomist, o qual dedica sessões regulares sobre metodologias de ensino, como a edição de abril de 2000, a qual apresentou técnicas de animação com a finalidade de ensinar conceitos de Anatomia e Embriologia (Guttmann, 2000), novas plataformas de trabalho que utilizam aplicativos 3D para demonstrarem o desenvolvimento embriológico (Guttmann, 1999) e multimídias com exposições utilizando inúmeros recursos, como o áudio (Trelease et al., 2000). Em Histologia e Embriologia, a necessidade de se desenvolver tecnologias e mídias mais efetivas de ensino é cada vez maior. Pode se considerar que o ensino em histologia é realizado a partir da obtenção de informação visual, utilizando imagens microscópicas (Hammersen, 1975), para o posterior o entendimento da função de células, tecidos, órgãos e das transformações e processos a que estes estão sujeitos. A carência de imagens durante o curso pode levar a uma formação profissional menos sólida, pois estas disciplinas são as bases sobre as quais, outras disciplinas estão sustentadas. No estudo de Embriologia, o problema pode ser considerado ainda mais acentuado. Numa área onde o fundamental é a compreensão das modificações na forma e conseqüente complexidade das células, tecidos e órgãos, geralmente, a única fonte de imagens acessível à boa parte dos alunos são os livros e Atlas didáticos. A necessidade do conhecimento mais aprofundado das fases do desenvolvimento embriológico de uma dada espécie animal é fundamental, pois auxilia aos estudantes na compreensão das relações normais das estruturas do corpo adulto e das causas de malformações congênitas (Moore & Persaud, 1999). O estudo comparativo entre várias espécies animais possibilita uma melhor compreensão do processo de evolução ocorrida ao longo de milhares de anos (Darwin, 1872). Idéias de órgãos análogos, homólogos e desiguais surgiram a partir deste estudo. Algumas perguntas podem ser respondidas através do estudo do desenvolvimento embriológico. Como exemplo a assimetria dos órgãos internos, analisada por Belmonte, O ensino de Embriologia é realizado em muitas universidades de maneira que poderíamos chamar de clássica, pois as aulas são apresentadas de forma expositiva com o auxílio de slides. Esta metodologia, no entanto, esbarra em limites, tais como: a dependência dos alunos aos professores (Filler, 2000), e a necessidade da substituição sistemática dos livros didáticos por novas edições, quando estes se tornam defasados. Além disto, segundo

15 - 3 - Vichitvejpaisal (2001), os livros se demonstram eficientes somente quando o aluno possui pouco tempo para estudar. Por outro lado, a Internet ainda não é uma ferramenta acessível a todos, como citado por Fernandez (2000), a Internet coexiste com bem mais de um bilhão de seres humanos sem acesso à água limpa. A fantástica tecnologia chegou, mas cinco sextos da humanidade estão excluídos dela, a qual não traz nenhuma melhoria palpável para as suas condições de vida. Assim como o argumento do crescimento econômico, o do avanço tecnológico como solução para nossos problemas tem sido reprovado no maior dos testes: o da realidade. Durante o desenvolvimento do trabalho aqui apresentado, utilizamos técnicas para a aquisição, criação e montagem de um banco de imagens de Histologia de alta qualidade, que posteriormente se tornou o Atlas Digital de Histologia na Internet - aberto a todos os usuários (ver as imagens do Atlas na Figura 3 do trabalho anexo). As imagens ainda puderam ser utilizadas para complementar as aulas práticas de Histologia, através da criação de um laboratório multimídia. Em um segundo momento, o impacto deste Atlas foi estudado através do preenchimento on-line de um formulário e de um contador de acessos. Assim, pudemos traçar o perfil dos usuários do Atlas. Por ser uma metodologia na Internet, o Atlas possibilitará que novas informações possam ser inseridas de forma automática (Brown, 1998), diferentemente do Atlas impresso que necessita de uma nova edição, como anteriormente citado. Como ponto inicial no preparo do Atlas comparativo de embriologia, foram escolhidos três modelos animais (ouriço-do-mar, galo doméstico e camundongo). Assim, foi apresentado parcialmente o desenvolvimento embriológico de um invertebrado (ouriço-do-mar), o qual além de ter tido a morfogênese amplamente estudada nas últimas décadas, pode ser considerado um modelo ideal para o estudo das etapas iniciais do desenvolvimento embrionário (Wray, 1997) e por também estar intimamente ligado ao desenvolvimento dos cordados (Gee, 1997 e Lake, 1990). A análise do desenvolvimento de ave (gallo doméstico), a qual representa um excelente modelo para o desenvolvimento dos animais superiores, ocorreu em função também da fácil manipulação, os ovos são disponíveis durante todo o ano, podendo ser estocados (quando não incubados) (Darnell and Schoenwolf, 2000 e Selleck, 1996) e por fim a análise do processo embrionário de camundongo, que é um mamífero amplamente utilizado em estudos das áreas biológicas (Fujinaga, 2000), possuindo o ciclo ovulatório curto e um alto número de descendentes por ninhada. As imagens nos três diferentes métodos de microscopia (descritos posteriormente) foram adquiridas e armazenadas para formarem o banco de imagens, para em seguida ser colocado na Internet, seguindo os moldes do Atlas Digital de Histologia.

16 - 4 - RESULTADOS Os resultados obtidos na presente tese originaram 1 trabalho com caráter científico e educacional, publicado na revista Anatomical Record: The new anatomist (Anexo 1 em victor.pdf) e a diversas imagens do desenvolvimento embrionário as quais comporão o Atlas Digital de Embriologia (Anexo 2 em pranchas.ppt).

17 - 5 - CONCLUSÕES Ao criar um Atlas digital de Histologia, os estudantes que possuíssem um computador conectado à Internet, poderia acessar às imagens de técnicas inacessíveis a grande maioria. O sucesso pôde ser demonstrado através do contador de acessos; Pelo fato das imagens terem sido adquiridas e processadas com grande qualidade, não houve perda substancial da resolução quando sofreram compactação; A exclusão tecnológica se torna evidente ao se traçar o perfil dos usuários, pois a maioria dos acessos era feito por pessoas dos países mais ricos e no caso do Brasil, pelas regiões mis desenvolvidas; Para diminuir os custos, propusemos a criação de salas multimídia, nas quais as informações visuais do banco de imagens sairiam de computadores, para monitores de TV, diminuindo o número de máquinas conectadas a Internet para demonstrarem o Atlas. PERSPECTIVAS Neste trabalho foi apresentado um método para a criação de um atlas digital morfológico gratuito, utilizando técnicas modernas de microscopia e de informática. Através da estatística do perfil dos usuários do Atlas Digital de Histologia, observamos que tais tecnologias se demonstram inacessíveis para a grande maioria dos estudantes. Desta maneira, ainda discuti-se a eficiência da Educação a Distância através da Internet, quanto a possibilidade de se democratizar o ensino.

18 - 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bancroft JD, Stevens A. Theory and practice of histological techniques. Edinburgh: Churchill Livingstone; 1996 Belmonte JC. How the body tells left from right. Scie Amer, junho de Bozzola JI and Russel LD. Electron Microscopy (principles and techiques for biologists). New Yorq: 2 nd ed Jones and Bartlett Publishers; 1998 Brinkley JF, Bradley SW, Sundsten JW. The digital anatomist information system ans its use in the generation and delivery of web based Anatomy atlases. Comput Biomed Res : Brown NA. The telemedicine information exchange: an online resource. Comp Biol Med : Carmichael WS. and Pawlina W. Animated Powerpoint as a tool to teach Anatomy. Anat rec (New Anat) : Chu LF and Chan BK. Evolution of web site design:implications for medical education on the Internet. Comp Biol Med : Darnell DK, Schoenwolf GC. The chick embryo as a model system for analyzing mechanisms of development. Methods Mol Biol :25-9. Darwin CR. Origem das espécies. 6 a Edição, Fernandez, FAS. O poema imperfeito; crônica de Biologia, conservação da natureza, e seus heróis. Curitiba: Ed Universidade do Paraná; Filler TJ, Jerosch J, Peuker ET. Live interdiciplinary teaching via the Internet. Comput Met Prog Med : Fujinaga M. In vitro culture of rodent embryos during the early postimplantation period. Methods Mol Biol : Gee H. Before the backbone. Chapman Hall, London, Frontiers in Education. Anat rec (New Anat) : Guttmann DG. Spilling the beans on Java 3D: a tool for the virtual anatomist. Anat rec (New Anat) :73-9. Guttmann DG. Animating functional Antomy for the Web. Anat rec (New Anat) : Hamburger V, Hamilton HL. A series of normal stages in the development of chick embryo. J Morphol :49. Hammersen FK. Atlas de Histologia. München Urban & Schwarzenberg; 1975.

19 - 7 - Hiller SA, Probst W, Seybold V, Zellmann E, Kabius B, Tröndle A. New frametransfer wide-angle slow scan CCD camera allows recording of distortion-free images for digital montages. Microsc Microanal (Suppl. 2: Proceedings), Inoué S and Spring K. Why Video? In Video Microscopy: the fundamentals. Pp1-9. Plenum Press. New York; Karnovsky MJ. Formaldehyde - glutaraldehyde fixative of high osmolarity for use in electron microscopy. J Cell Biol :137A. Lake JA. Origin of the Metazoa. Proc Natl Acad Sci : Monteiro-Leal LH, Farina M, Benchimol M, Kachar B and De Souza W. Coordinated Cilliary and Flagellar Beatings in the Protozoon Tritrichomonas foetus. J Eukar Micro : Monteiro-Leal LH, Farina M and De Souza W. The Free Movement of Tritrichomonas foetus in a Liquid Medium: A Video-microscopy study. Cell Mot Cytosk : Monteiro-Leal LH, Goulart A, Lopes VW, Laurencini R, Campanati L. Novo método semi-automático para avaliação da morfologia de espermatozóides humanos. J. Bras. Urol , Monteiro-Leal LH. Fundamentos de Microscopia. Rio de Janeiro: Eduerj; Moore K and Persaud, TVN. Embriologia Básica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan 6ª Edição; Motiwalla L and Tello S. Distance learning on the Internet: na exploratory study. Inter High Educ (4): Paalman HM. New frontiers in Anatomy education Anat rec (New Anat) :47. Passerini K and Granger MJ. A developmental model for distance learning using the Internet Comp Edu , Rochow TG and Tucker PA. Introduction to microscopy by means of light, electrons, X rays, or acoustics. New York Plenum Press 2 nd ed. pp ; Selleck MA. Culture and microsurgical manipulation of the early avian embryo, im methods in Avian embryology, methods in cell biology. San Diego, Bronner-Fraser, M. ed. pp. 1-21; 1996 Shotton DM. Electronic Light Microscopy: The Principles and Practice of Video- Enhanced Contrast, Digital Intensified Fluorescence, and Confocal Scanning Light microscopy. Portland Robert Feulgen Prize Lecture Tachinardi U. Internet and healthcare in Brazil: the role of the working group for healthcare (GT Saúde) Comp Biol Med :

20 - 8 - Trelease BR, Nieder LG and Hansen SM. Going virtual with Quick Time VR: New methods and standardized tools for interactive dynamic visualization of anatomical structures Anat rec (New Anat) : Theiler K. The house mouse: atlas of embryonic development. New York Springer- Verlang 2 nd ed. p178; Vichitvejpaisal P, Sitthikongsak S, Preechakoon B, Kaiprasit K, Prarakamodom S, manon C, Petcharatana S. Does computer-assisted instruction really help to improve the learning process? Med Educ :983-9 Wachter RM and Gupta JND. Distance education ad the use of computers as instructional tools for systems development projects: a case study of the construction of expert systems. Comp Edu : Wootton R, Springall DR, Polak JM. Image analysis in histology: conventional and confocal microscopy. London Cambridge University Press; Wray GA. Echinoderms, in Embryology. Sinaeur, Sunderland Gilberts, SC and Raunio AM eds, MA pp ; 1989.